Содержание к диссертации
Введение
1. Глава 1. Теплообмен при естественной конвекции и естественной циркуляции .
1.1. Естественно-конвективный теплообмен в истории теплофизики.
1.1.1. Общие положения . 12- 14
1.1.2. Историческое развитие 14 - 16
1.2. Теплообмен при естественнон конвекции от плоских и тел .
1.2.1. Теплообмен от плоских поверхностей 17 -27
1.2.2, Теплообмен от цилиндрических поверхностей 27-35
1.3. Теплообмен при естественной конвекции в трубах и
каналах.
1.3.1. Замкнутое пространство 36 - 37
1.3.2. Незамкнутый канал 38-44
1.4. Отличие естественной конвекции и естественной
циркуляции. Постановка задачи исследования 45-48
2. Глава 2. Описание экспериментальной установки, методики проведения опытов и обработки экспериментальных данных.
2.1. Описание экспериментальной установки 49-58
2.2. Методика проведения эксперимента.
2.2.1. Этапы проведения эксперимента 59-60
2.2.2. Использование дополнительных устройств в эксперименте 60-63
2.2.3. Использование теплоизоляции в эксперименте 63-66
2.3. Методика обработки результатов.
2.3.1. Выбор величин и зависимостей для обработки экспериментальных данных 67-68
2.3.2. Выбор тсплофизических свойств среды, необходимых для обработки экспериментальных
данных 68-69
2.3.3. Выбор безразмерных комплексов для обобщения экспериментальных данных 69 - 72
2.3.4. Определение погрешностей измерений 72-75
3. Глапа 3. Результаты экспериментальных исследований теплообмена при естественной циркуляции внутри обогреваемых труб .
3.1. Основные результаты экспериментов.
3.1.1. Определение тепловых потерь 76 - 78
3.1.2. Определение расхода среды 78- 81
3.1.3. Определение коэффициента теплоотдачи 81 -90
3.1.4. Распределение теплоотдачи по длине труб 90-96
3.2. Обобщение результатов экспериментов.
3.2.1. Обобщение экспериментальных данных для воды 97-102
3.2.2. Обобщение экспериментальных данных для воды
и воздуха 102 - 109
3.3. Анализ полученных результатов на основе
визуализации процессов естественной циркуляции И 0 - 123
4. Глава 4. STRONG Максимум теплосъема при естественной циркуляции теплоносителя внутри
обогреваемых труб STRONG .
4.1. Расчет оптимальной длины теплообменных труб 124 - 125
4.1.1. Методика расчета оптимальной длины 125 - 129
4.1.2. Пример расчета оптимальной длины 129-135
4.2. Расчет оптимальной длины теплообменных труб для заданной величины поверхности теплообмена.
4.1Л. Методика расчета 136 - 138
4.1.2. Пример расчета оптимальной длины 139- 142
Заключение 143 - 144
Приложения 145 - 155
Список литературы
- Теплообмен при естественнон конвекции от плоских и тел
- Использование дополнительных устройств в эксперименте
- Определение коэффициента теплоотдачи
- Методика расчета оптимальной длины
Введение к работе
Процессы переноса тепла и массы играют исключительно важную роль в природе и современной технике. Среди них заметное место занимает естественная конвекция и естественная циркуляция, возникающие в неоднородном поле массовых сил. Особенно большое значение проблема естественной конвекции приобретает для новой техники, в частности, для атомной энергетики и электроники. Появились многочисленные приложения теории в энергетики, химической технологии, строительстве, сельском хозяйстве, геофизики, астрофизики, причем в разных отраслях уровень научных исследований, инженерно-технических разработок различен. В связи с поиском новых возобновляемых источников энергии и экономии ресурсов появляются промышленные процессы, основанные непосредственно на механизме естественной циркуляции (системы пассивного расхолаживания и пр.). Отсутствие ряда дорогостоящего оборудования (насосов, вентиляторов, пусковой аппаратуры...) дает экономию энергоресурсов н повышает надежность свободно-конвективных систем теплообмена по сравнению с другими. В атомной энергетике, в связи с необходимостью безопасной работы АЭС, свободно-конвективный теплообмен является основным механизмом охлаждения активной зоны реактора при аварийных режимах.
Характерное для последних лет стремление к дальнейшему повышению экономичности энергетического оборудования, уменьшению его материалоемкости при обеспечении высокой эксплуатационной надежности и заданного ресурса выдвинуло ряд новых задач перед теплофизиками, работающими на многие отрасли техники.
Таким образом совершенствование теплообменных аппаратов на принципе естественной конвекции и естественной циркуляции, повышение их эффективности является актуальной задачей.
Выполненньш к настоящему времени объем экспериментальных и теоретических работ по данному разделу теплофизики оказывается явно недостаточным. Хорошо обоснованная теория разработана для режима свободной конвекции в пограничных слоях. С развитием методов исследования и вычислительной техники стало возможным получение численных решений в широкой области определяющих параметров. Вместе с тем большинство работ по данному вопросу является в той или ной степени обобщением экспериментальных исследований. Но даже при этих условиях многие проблемы, имеющие^-практический интерес, остаются нерешенными.
Все выше сказанное характеризует актуальность задачи исследования естественно-конвективного и естественно-циркуляционного теплообмена внутри обогреваемых труб. В частности, важна задача исследования теплообмена в наклонных трубах.
К настоящему времени известно лишь небольшое количество работ, посвященных естественно-циркуляционному теплообмену внутри обогреваемых труб. Имеющиеся в литературе данные относятся в основном к случаю вертикального расположения последних при движении в них воздуха.
Целью данной диссертационной работы является экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамики в зоне ламинарного течения при естественной циркуляции жидкости в вертикальных и наклонных обогреваемых трубах и определение на основе этих данных оптимальной конфигурации трубного пучка теплообменника.
В данной работе приведен обзор литературы, освещающей состояние исследований теплообмена при естественной конвекции и циркуляции. Описываются экспериментальные исследования: приводится описание опытной установки, методика проведения экспериментов и обработки результатов.
Излагаются сами результаты опытов по определению расхода и коэффициента теплоотдачи воды и воздуха при естественной циркуляции в вертикальных и наклонных обогреваемых трубах в ламинарной зоне течения. Приводятся результаты фотосъемки процессов, протекающих при естественной циркуляции в трубах.
Рассматривается и обосновывается оценка оптимальной и предельной длины теплообменных труб, как теоретическая составляющая диссертационной работы.
Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем: проведены экспериментальные исследования и получены обобщенные безразмерные зависимости для расчета теплоотдачи и расхода жидкости в вертикальных и наклонных обогреваемых трубах при естественной циркуляции теплоносителя. - получена картина немонотонного изменения коэффициента теплоотдачи при наклоне обогреваемых труб в ламинарной зоне течения воды и воздуха. Обнаружен максимум теплоотдачи при углах наклона 30 ч-60 от вертикали. проведен анализ полученного изменения коэффициента теплоотдачи на основе визуализации картины течения. Установлено, что максимум теплоотдачи определяется наложением внутренних циркуляционных вихрей на общее поступательное движение при естественной циркуляции внутри вертикальных и наклонных обогреваемых труб в ламинарной зоне течения.
Практическая ценность работы: на основе проведенных экспериментальных исследований разработана методика расчета теплообмена и гидродинамики для практических задач естественно-циркуляционного теплообмена внутри обогреваемых труб. полученные результаты использованы в конструировании основанных на эффекте естественной циркуляции теплообмениых установках.
Автор защищает: - результаты экспериментального исследования теплообмена при естественной циркуляции внутри вертикальных и наклонных обогреваемых труб в ламинарной зоне течения. - наличие максимума теплоотдачи при наклоне обогреваемых труб в ламинарной зоне течения воды и воздуха.
По материалам диссертационной работы имеется 5 публикации: в журналах «Теплоэнергетика» и «Теплофизика высоких температур»; сборнике трудов кафедры общей физике КХПУ им. К.Э. Циолковского; доклады по материалам работы также были опубликованы в сборниках трудов XIV и XV Школы — семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И, Леонтьева « Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках».
Диссертационная работа была выполнена в 2001 - 2004 гг. в лаборатории «Теплофизики и гидродинамики» Калужского государственного педагопіческого университета им. К.Э. Циолковского под руководством доктора технических наук, профессора Мильмана О.О., которому автор выражает глубокую благодарность.
Теплообмен при естественнон конвекции от плоских и тел
Достаточно ясная картина исторического развития вопроса дана в [3]. Первым исследователем явлений тепловой конвекции в природе был М.В.Ломоносов. В своем сочинении «Слово о явлениях воздушных от Електрнческой силы происходящих» (1753г.) он тщательно изучил тепловую конвекцию и многочисленные ее проявлення, в том числе возникновение и развитие конвективных движений в атмосфере.
Дюлонгом и Пти в 1817г. были получены экспериментальные данные по распределению температуры в свободном потоке вблизи поверхности Земли в неподвижной атмосфере [4]. Позднее эти результаты были применены для исследования тепловых двигателей. А.Обербеком в 1879г. была составлена система уравнений свободной конвекции для метеорологии в линейном приближении расчета подъемной силы [5]. В 1881г. Л.Лоренц решил упрощенную задачу» получив достаточно точные результаты для теплоотдачи с вертикальной поверхности [б]. Ж.Буссинеск (1901 - 1903г.) методами теории подобия получил критерии, определяющие условия свободно - конвективного теплообмена в [7 - 10] в широкой области изменения чисел Рг. Им же были получены критериальные зависимости расчета теплоотдачи с поверхности. Впервые имя Буссинеска для обозначения этих уравнений было введено английским ученым Дж.У.Рэлеем в 1916г. [11]. Подробное исследование уравнений в приближении Буссинеска для горизонтального слоя жидкости было выполнено только в 1960г. Из теоретических работ следует отметить метод теплового слоя (И.Ленгмюр, 1912г. [12], где впервые использовалось представление о пограничном слое на осесимметричном теле. Б.Б.Рэю удалось сфотографировать такой слой вблизи твердой поверхности, помещенной в жидкость [13] ), решение задачи теплообмена на вертикальной поверхности (В.С.Кимбалл и В.Дж.Кинг, 1932г. [14] ) и одномерные методы расчета (В.Нуссельт и В.Юргес, 1928г. [15] ). Эксперименты выполнялись в основном на воздухе, и результаты представлялись в размерном виде, хотя уже в 1921г. Г.Гребер [16] ввел критерии Грасгофа и Прандтля и методом размерности установил «закон 1/4» для ламинарного режима.
В нашей стране первые исследования по свободной конвекции на вертикальной поверхности, вертикальном и горизонтальном цилиндрах начались в 1925г. в Государственной физико - технической лаборатории М.В.Кирпичева с целью изучения работы вертикального водотрубного котла В.Е.Грум - Гржиманло [17,18]. В дальнейшем эти опыты разрослись в целую серию экспериментов. Эти первые теоретические и экспериментальные исследования проводились А.А.Гухманам, Л.С.Эйгенсоном, В.С.Жуковским, А.С.Синелышковым и М.А.Михеевым — впоследствии крупнейшими учеными - теплофизиками.
Следующий шаг был сделан Э.Польгаузеном, который распространил понятие пограничного слоя на свободную конвекцию, вывел уравнения свободно — конвективного слоя на плоской поверхности и выполнил первые численные расчеты для воздуха с использованием классических экспериментов по распределению скоростей и температур в пристеночной области Э.Шмидта и В.Бекмана [19]. Эксперименты на телах с различными теплофнзическими свойствами в основном подтвердили полученные зависимости. Основные положения теории пограничного слоя в свободной конвекции получили широкое распространение благодаря работе Г.Б.Сквайра (1938г.), который использовал приближенный метод Кармана - Польгаузена [20]. С математической точки зрения теория пограничного слоя потребовала для своего решения разработки численных методов интегрирования систем нелинейных дифференциальных уравнений, как обыкновенных, так и в частных производных, после чего появилась возможность более точно установить область применения теории пограничного слоя в задачах свободной конвекции.
Начиная с середины 50-х годов 20 века исследования развивались более интенсивно под влиянием возросшего интереса к проблемам свободно — конвективного теплообмена в связи с многочисленными приложениями. Подробно изучено влияние на теплообмен числа Рг в предельных случаях малых и больших его значений, переменной силы тяжести, диссипации энергии, работы сжатия, стратификации окружающей среды, зависимости коэффициента объемного расширения от температуры и сжимаемости потока. Для инженерных расчетов разработаны интегральные методы. В связи с появлением достаточно тонких экспериментов и возникновения необходимости в области умеренных значений чисел Gr учитывать влияние передней и задней кромок и толщины пограничного слоя на характеристики движения и теплообмена в теории свободной конвекции разработан метод сращиваемых ассимптотических разложений и деформирования координат.
Использование дополнительных устройств в эксперименте
Упомянутая выше установка собирается и заполняется средой (в проведенных опытах водой и воздухом). К спирали подводится электрический ток, идущий на обогрев трубки, и лабораторными электроизмерительными приборами измеряется величина общего подводимого теплового потока, который поддерживается постоянным в процессе всего проведения эксперимента.
В соответствии с требованиями физического эксперимента основные измерения начинают проводиться спустя некоторое время после начала эксплуатации установки после достижения стабилизированного режима течения во избежании неточностей измерения (в нашем случае спустя 10 -15 минут после начала эксплуатации). С помощью термопар, расположенных в гильзах, потенциометром, согласно [83], измеряются температуры на входе и выходе среды, с помощыо запаянных в трубку термопар измеряются температуры стенки по длине теплообменной трубы: снимаются и заносятся в протокол показания прибора в милливольтах с использованием компенсационного метода работы последнего; затем показания, пользуясь данными [84], переводятся в градусы Цельсия. С целью достижения большей точности эксперимента показания одного и того же измерения снимаются несколько раз (в нашем случае 3 раза) в течение узкого промежутка времени (в нашем случае 2-5 минут). С той же целью разные измерения отделяются друг от друга временными интервалами по 5 - 7 минут. По угломерной шкале фиксируется угол наклона теплообменной трубы.
Опыты проводятся с переменным, за счет изменения электрического напряжения на спирали ЛАТРом, общим тепловым потоком от 35 до 1900 Вт, переменным углом наклона теплообменных труб от 0 до 90 градусов и при различных их длинах от 0,6 до 1,4 м. При проведении экспериментов с воздухом изменяется лишь то обстоятельство, что последний выводится и берется из окружающего пространства.
В ходе опыта также фиксируются условия проведения эксперимента: измеряются атмосферное давление барометром-анероидом, температура окружающей среды лабораторным термометром ТЛ-4 с ценой деления 0,1 С, отмечаются время и технические особенности проведения эксперимента.
При проведении опытов по визуализации физических процессов измерения (кроме фиксации величины общего теплового потока) не проводится. Внутрь трубки через специальное охлаждающее устройство подается дымовой газ, и после достижения стабилизированного течения (как и в предыдущих случаях) проводится фотосъемка протекающих процессов при различных пространственных положениях трубы.
Использование дополнительных устройств в эксперименте. В данных опытах основную роль, с точки зрения проведения эксперимента, играет величина гидравлического сопротивления элементов установки, так как рассматриваемый процесс является процессом естественной циркуляции, и скорости, а соответственно, и расходы исследуемой среды, должны быть очень малы. Поэтому влияние дополнительных устройств будет сведено к минимуму, если гидравлическое сопротивление последних будет много меньше гидравлического сопротивления опытной трубки, и в потоке не будет расположено дополнительных элементов. Оценка величины сопротивления проведена на основе [85] для случая напорного течения (от побудителя): Гидравлическое сопротивление опытной трубки: При v = 0,478-10"6 м2/с; v = 0,01 м /с; drp = 0,018 м; р = 1000 кг/м3 ; 1Тр = 0,6 м. Для ламинарного режима течения критерий Рейнольдса; v-ф — скорость жидкости в трубе, взятая по данным [79]; d и 1? - внутренний диаметр и длина теплообмешюй трубки; р - плотность; v - кинематическая вязкость жидкости, взятая из [32]; \/тр — коэффициент гидравлического сопротивления трубки; Дртр — непосредственно гидравлическое сопротивление трубки. Гидравлическое сопротивление поворотного устройства: При внутреннем диаметре dK = 40 мм; диаметре кривизны DK - 48 мм; длине поворотного устройства 1 = 75 мм. Для ламинарного режима течения
Из приведенных выше рассуждений видно, что малое гидравлическое сопротивление обеспечивается большим внутренним диаметром элемента. На основе этого можно сделать вывод, что гидравлическое сопротивление бака из-за очень больших размеров также можно не учитывать.
Представляется возможным также заранее оценить приемлемую для получения максимального теплового потока длину и частоту наматывания электрической спирали, пользуясь [86]: Так как нагрев опытной трубки обеспечивается электрическим током, то на максимально возможный подводимый тепловой поток накладываются ограничения обычной электрической сети (напряжение 220 В, сила тока 6 А).
Определение коэффициента теплоотдачи Определение коэффициента теплоотдачи
Другой важной характеристикой в случае процессов естественной циркуляции является коэффициент теплоотдачи.
Проведены опыты и по исследованию теплообмена при естественной циркуляции на воде, в ходе которых установлено, что с увеличением тепловой нагрузки коэффициент теплоотдачи возрастает, причем с ростом длины теплообменной трубы при постоянном значении теплового потока его значения также растут, как показано на рис. 3.5. При отклонении теплообменной трубы от вертикали теплоотдача интенсифицируется, на углах наклона около 45 градусов имеет максимум, затем уменьшается, причем с увеличением длины теплообменной трубы этот максимум постепенно сглаживается и при длине 1,4 метра практически пропадает — наблюдается лишь уменьшение теплоотдачи. С ростом длины он смещается в сторону меньших ( приближающихся к вертикали) углов, как показано на рис. 3.6.
Также аналогичная картина получена при проведении экспериментов на воздухе в трубе длиной 0,6 м, где коэффициент теплоотдачи ведет себя, как показано на рис. 3.7., имея значения величины также на несколько порядков меньше, чем коэффициент теплоотдачи воде. Данные представлены в Таблице 3. и Таблице 4.
Для сравнения с основным способом определения среднего коэффициента теплоотдачи по (2.10) полезно использовать его определение через локальные коэффициенты теплоотдачи 2 i 2-(t _t ) n n где q - полезный тепловая нагрузка, принятая в опытах постоянной; t -локальная измеренная температура стенки; t — локальная, рассчитанная исходя из измерения температуры входа и выхода трубы, температура жидкости.
На рис. 3.8. - 3.11., где показано изменение коэффициента теплоотдачи по длине различных труб для разных тепловых потоков, можно увидеть, что последний в пределах отклонения 5 — 15% остается постоянным по длине. Вместе с тем, можно заметить тенденцию: коэффициент теплоотдачи тем более постоянен, чем меньше длина трубы. На рис. 3.12. показаны средние коэффициенты теплоотдачи, определенные по (3.2). Сравнивая их со средними коэффициентами теплоотдачи, определенными по (2.10), которые показаны на рис. 3.5., можно отметить, что последние примерно на 20% ниже полученных по (3.2). Такой способ осреднения представляется однако не вполне точным, так как технически невозможно измерить локальную температуру жидкости.
Следует отметить также, что расхождения вызваны не только погрешностью эксперимента, но и принципиальными различиями в самих подходах к определению коэффициента теплоотдачи, вследствие чего нельзя рассматривать один подход, как дополнение другого.
В соответствии с изложенным в 2.3.3., пользуясь [93], проведено обобщение результатов и приведение их к безразмерному виду. Данные по коэффициенту теплоотдачи с максимальной погрешностью 10% аппроксимированы формулой (1 V 6 Nu = 0,834Ra0 25 - fnu(cp) (3.3)
Согласно рис. 3.13., зависимости числа Nu от числа Ra для разных длин теплообмеыных труб, была установлена степень при критерии Рэлея. Здесь тангенс угла наклона прямой дает ее показатель. Рассекая график в вертикальной плоскости и построив график зависимости Nu от безразмерной длины I/d для разных значений числа Ra, рис. 3.14., было получено значение степени при І/d. Учет влияния угла наклона теплообменных труб на теплоотдачу удалось произвести с помощью введения поправки ҐПЦ(Ф), которая может быть рассчитан по формуле \-ъ fm.( P) = 0,01--1,41 ф2 + 101,57-1,15- ср + 2105,598 10-J (3.4) где І/d — безразмерная длина теплообменной трубы (отношение размерной длины трубы к ее внутреннему диаметру); ф - угол наклона трубы, взятый в градусах.
Следует отметить, что полученные формулы справедливы при І/d в диапазоне от 33 до 78, ф - от 0 до 75 градусов, Ra - от 4-Ю5 до 16 106. За определяющую была взята температура, рассчитываемая по (2.14); за определяющий диаметр - внутренний диаметр трубы.
Методика расчета оптимальной длины
Таким образом, на основе приведенного выше, можно говорить о наложении циркуляционных токов на поступательное ламинарное движение при наклоне теплообменных труб.
Необходимо также отметить, что при наклоне трубы проекция высоты столба нагретой жидкости или газа на вертикаль (проекция длины трубы) уменьшается, уменьшается и движущий напор циркуляции. Результатом этого должно быть снижение скорости поступательного течения и интенсивности теплообмена. Следовательно первоначальное увеличение теплоотдачи на углах 15 - 60 градусов вызвано другими факторами.
На основе [30,79], пользуясь данными визуальных исследований, можно дать следующее объяснение этих процессов: в вертикальной трубе имеет место неравномерное распределение скоростей при общем поступательном движении среды, циркуляционное движение отсутствует (без существенного вихреобразования); при наклоне труб возникают вихри, которые интенсифицируют движение частиц между центром трубы и пограничным слоем. По мере увеличения угла наклона от вертикали интенсивность вихрей возрастает, и их влияние превалирует над влиянием уменьшения средней скорости движения потока. При углах 30 - 60 градусов вихри уже вполне сформировались, и дальнейший наклон труб не приводит к интенсификации теплообмена за счет упомянутого выше движения частиц: в этой области начинает сказываться существенное влияние скорости, которая быстро убывает с уменьшением проекции на вертикаль. В результате в области больших значений угла наклона от вертикали интенсивность теплообмена уменьшается.
Образование вихрей в условиях естественной циркуляции наблюдалось на прозрачной обогреваемой трубе, длиной 0,8 м и внутренним диаметром 18 мм; обогрев трубы производился электрическим током. Заметное вихреобразование возникало уже на расстоянии 100 150 мм от входа в наклонную трубу; вихрь делал полный оборот на расстоянии 15 — 20 калибров трубы.
На основе всего сказанного выше можно сделать следующие выводы:
1. В ходе проведенных опытов по визуализации физических процессов при естественной циркуляции внутри горизонтальных, вертикальных и наклонных обогреваемых теплообменных труб в ламинарной зоне течения установлено наличие вихревого движения, накладывающегося на поступательное.
2. Наличие максимума теплоотдачи в случае наклона обогреваемых теплообменных труб при естественной циркуляции объясняется интенсификацией вихревого движения частиц между ядром потока и пограничным слоем при наклоне от вертикали на 30 - 60 градусов и снижением интенсивности теплообмена при дальнейшем наклоне из-за уменьшения скорости естественно-циркуляционного движения.
В данном разделе рассматривается вопрос определения длины труб, при которой теплосъем в случае естественной циркуляции максимален при заданной температуре t . стенки трубки.
В случае вертикально расположенной трубы увеличение длины последней физически ведет к росту движущего напора естественной циркуляции: где (р-ро) - изменение плотности рассматриваемой среды. Повышение движущего напора, в свою очередь, влечет за собой увеличение скорости, а значит и увеличение расхода среды. С другой стороны, рост длины тсплообменнон трубы ведет к увеличению линейной составляющей гидравлического сопротивления которое противодействует увеличению расхода среды, а соответственно и росту теплосъема. Здесь X - коэффициент линейного сопротивления; 1 — длина; d — внутренний диаметр трубы.
Цель данного раздела — установить, какая из двух описанных тенденций (рост теплосъема за счет роста движущего напора естественной циркуляции или его снижение из-за увеличения гидравлического сопротивления) превалирует ; будет ли при этом наблюдаться максимум теплосъема и, следовательно, существует ли предельная длина трубы, когда дальнейшее увеличение 1 не приводит к росту теплового потока при tcr = COnSt.
